微机与外设的数据传输.ppt

第5章 微型计算机和外设的数据传输 本章重点: 接口电路的功能 接口部件和I/O端口 CPU和外设之间的三种数据传输方式、 各自优缺点和使用场合 中断传输方式的原理和可屏蔽中断的响 应过程 DMA方式的原理和DMA控制器的功能 教学建议： 在讲述接口电路的I/O端口基础上， 以讲清楚中断方式的原理和DMA方式原 理为目标。 本章用2学时。 5.1 为什么要用接口电路 （1）接口电路按功能可分为两类: 使微处理器正常工作所需的辅助电路 输入输出接口电路: （2）为什么要用接口电路 5.2 CPU和输入输出设备之间的信号 CPU和输入输出设备之间有以下几类信号 : （1）数据信息,又分为： 数字量 模拟量 开关量 （2）状态信息 （3）控制信息 5.3 接口部件的I/O端口 数据端口 状态端口 控制端口或命令端口 外设通过接口和系统的连接 IN AL, IN AL, 21H21H OUT OUT 43H, AL43H, AL 5.4 CPU和外设之间的数据传送方式 解决定时问题的三种传送方式： 程序方式 中断方式 DMA方式 5.4.1 程序方式 1. 无条件传送方式 图 无条件传送方式的工作原理 2 . 条件传送方式 （1）条件传送的概念 （2）条件传送的三个环节： CPU从接口中读取状态字 CPU检测状态字 传送数据 查询式输入的接口电路 查询式输出的接口电路 查询式输入过程的流程图 5.4.2 中断方式 1. 中断传送方式的原理 可屏蔽中断的响应和执行 2 . 中断优先级问题的解决 (1)解决中断优先级的三种办法： 软件查询方式 简单硬件方式菊花链法 专用硬件方式 (2)三种方法的优缺点 中断优先级菊花链及其逻辑电路 (a) 菊花链 (b) 菊花链逻辑电路中断请求 典型的可编程中断控制器 5.4.3 DMA方式 1. DMA传送方式的提出 DMA传送方式的优点 数据传输率 2 .DMA控制器的功能和原理 DMA控制器的功能： 向CPU发总线请求信号 实行对总线的控制 修改所用的存储器或接口的地址指针 发读写控制信号 存放数据长度 交还总线控制权 DMA传输单个数据(输出过程)的原理 DMA控制器的内部最小配置和接口要求 从接口往内存传输一个数据块的过程： 接口往DMA控制器发一个DMA请求 得到总线控制权 地址寄存器的内容送地址总线 通知接口将数据送到数据总线 数据送到所指单元 地址寄存器的值加1 字节计数器的值减1 如字节计数器的值不为0，则回到;否则结 束 DMA传输对接口的要求： 控制寄存器有1位指出数据传输方向 控制寄存器有1位用来启动I/O操作 状态寄存器有1位指出设备当前是否处 于忙状态 DMA传输对DMA控制寄存器的要求： 有1位作为DMA允许位 有1位用来确定DMA方向 有1位决定进行一次传输后放弃还是维 持对总线的控制权 状态寄存器有1位表示数据块传输是否 结束 对DMA控制器和接口部件预置的信息： 往DMA控制器的字节计数器设置初值 往DMA控制器的地址寄存器中设置地址 初值 对DMA控制器设置控制字并启动DMA操 作 对接口部件设置控制字并启动I/O操作 启动数据块输入的例子 IDLE:IN AL,INTSTAT;检测设备是否处 于 忙状态，如是，则等待 TEST AL,04 JNZ IDLE MOV AX,COUNT ;设置计数 OUT BYTE-REG,AX LEA AX,BUFFER ;设置地址初值 OUT ADD-REG，AX MOV AL，DMAC;取原DMA控制字 OR AL，49H;设置方向、块传输 ;和允许标志 OUT DMACON,AL;置DMA控制字 MOV AL，INTC ;设置接口的传输方向 ;及允许标志 OR AL，05H OUT INTCON,AL ;设置接口的控制字 3. DMA控制器的工作特点 是一个接口电路 能够控制系统总线 操纵外设和存储器之间的数据传输 5.4.4 输入输出过程中提出的几个问题 1.系统如何知道接口已准备好数据等待CPU提 取或者准备接收CPU的数据? 2.当系统中有几个设备处于同一种传输方式之 下、而且同时发传输请求时，系统到底先响 应哪个请求? 外部设备为什么要通过接口电路和主机 系统相连？存储器需要接口电路和总线 相连吗？为什么？ 解答： n因为外设的功能多种多样，对于模拟量信息 的外设必须要进行A/D和D/A转换，而对于串 行信息的外设则必须转换为并行的信息，对 于并行信息的外设还要选通。而且外设的速 度比CPU慢的多，必须增加缓冲功能。只有 这样计算机才能使用这些外设。而所有这些 信息转换和缓冲功能均由接口电路才能完成 。 n存储器不需要接口电路和总线相连。 n因为存储器功能单一，且速度与CPU相当。 因此可直接挂在CPU总线上。 2、是不是只有串行数据形式的外设需要 接口电路和主机系统连接？为什么？ 解答： n不是。并行数据形式的外设也需要接口 电路和主机系统连接。 n因为，CPU每次只能访问一个外设，因 此并行信息的外设需增加选通功能，才 能满足CPU的访问要求，必须用接口电 路。 3、接口电路的作用是什么？按功能可分 为几类？ 解答： n接口电路的作用就是在外设和CPU之间 起信息变换和缓冲功能。 n按功能可分为两类： n一种是使微处理器正常工作所需要的辅助 电路。 n另一种是输入/输出接口电路。 4、数据信息有哪几类？ 举例说明它们各自的含义。 解答： n1.数据信息有四类：数字量、模拟量、 开关量。 n2.如键盘、磁盘等就是数字量信息；温 度、湿度、压力等转换的电信号就是模 拟量；电机的起停、发光设备的亮灭等 都是开关量。 5、CPU和输入/输出设备之间传送的信息 有哪几类？ 解答： 有数据信息、控制信息、状态信息三类。 6、什么叫端口？通常有哪几类端口？计 算机对I/O端口编址时通常采用哪两种 方法？在8086/8088系统中，用哪种方 法对I/O端口进行编址？ 解答： nCPU和外设进行数据传输时，各类信息在接 口中进入不同的寄存器，一般称这些寄存器 为I/O端口。 n有数据端口、控制端口、状态端口三类。 n在微型计算机中通常用两种I/O端口编址方式 ：存储器映象寻址和I/O端口单独寻址。 n在8086/8088系统中，用I/O端口单独寻址方 式编址。 7、为什么有时候可以使两个端口对应一 个地址？ 解答： 因为这两个端口一个是只读端口，一 个是只写端口。而CPU对一个I/O端口 地址可进行读/写两种访问。如果将这 两个只读和只写端口编为一个地址，则 CPU对该端口地址读操作对应的是只读 端口；CPU对该端口地址写操作则对应 的是只写端口，互不影响。因此可以使 两个单向的只读和只写端口对应一个端 口地址。 8、CPU和外设之间的数据传送方式有哪 几种？实际选择某种传输方式时，主要 依据是什么？ 解答： nCPU和外设之间的数据传送方式有三种 ：程序方式、中断方式、DMA方式。 n主要依据是外设的情况(外设的速度和 外设提供信息的方式)。 9、无条件传送方式用在哪些场合？画出 无条件传送方式的工作原理图并说明。 解答： n无条件传送方式只用在对一些简单外设进行 操作的场合。如开关、LED显示等。 n无条件传送方式的工作原理图：(见书203页 图5.2所示) n在无条件输入时：CPU执行一条输入指令，使和 M/信号为有效低电平，并对应送出该端口地址， 因此选中输入缓冲器，打开其三态门，使输入缓 冲器的数据经数据总线送到CPU的累加器中。 n在无条件输出时：CPU执行一条输出指令，使和 M/信号为有效低电平，并对应送出该端口地址， 因此选中输出锁存器，将由累加器送到数据总线 上的数据打入输出锁存器中供外设使用。 10、条件传送方式的工作原理是怎样的 ？主要用在什么场合？画出条件传送( 查询)方式输出过程的流程图。 解答： n条件传送方式的工作原理是：外设给 CPU提供一个状态信息，当CPU要访问 外设时，必须先检测该状态信息是否合 乎要求，不停检测直至合乎要求时才进 行CPU对外设的访问。 n查询方式主要用在外设较少，数据交换 不频繁的非实时系统的场合。 开始 初始化 外设空吗？ CPU从内存取数由累加器输出给 外设 外设空吗？ Y N N Y 后续处理 11、设一个接口的输入端口地址为0100H ，而它的状态端口地址为0104H，状态 口中第5位为1表示输入缓冲区中有一个 字节准备好，可输入。设计具体程序实 现查询式输入。 解答： DATASEGMENT BUFFERDB20 DUP(?);接收数据缓 冲区 DATAENDS CODESEGMENT ASSUMEDS:DATA，CS:CODE STAT:MOVAX，DATA;对DS初始化 MOVDS，AX MOVDI，OFFSET BUFFER MOVDX，0104H STATIN:INAL，DX TESTAL，20H;测试第5位 JZSTATIN;第5位为0继续测试 MOVDX，0100H INAL，DX;输入数据 MOVDI，AL CODEENDS ENDSTAT 12、查询式传送方式有什么缺点？中断 方式为什么能弥补查询方式的缺点？ 解答： n查询式传送方式缺点是：花费CPU的时间作 等待循环，大大降低了CPU的运行效率。 n中断方式是在外设准备就绪时向CPU申请中 断，再进行传送，因而CPU无需花费时间作 等待循环，弥补了查询方式的缺点。 13、叙述可屏蔽中断的响应和执行过程 。 解答： 接口发中断请求信号。 CPU的IF=1时，当前指令执行完后，CPU进行 中断回答，发两个负脉冲。 接口将中断类型号n送CPU。 当前的PSW、CS和IP推入堆栈，并清除IF和TF 。 (4n)作为IP，(4n+2)作为CS，即取中断向 量。 执行中断子程序，并开中断。 中断返回IRET指令使IP、CS和PSW弹出堆栈。 返回被中断的程序。 14、通常解决中断优先级的方法有哪几 种？各有什么优缺点？ 解答： n有软件查询方式、简单硬件方式菊花链法、 专用硬件方式三种。 n软件查询方式的优点是节省硬件，缺点是中断 响应时间长；简单硬件方式的优点是中断响应 时间短，硬件较简单，缺点是优先级固定，变 动起来很麻烦；专用硬件方式优点是对优先级 可编程修改，中断管理非常方便，缺点是硬件 复杂的多，好在有专用的中断控制器。 15、和DMA比较，中断传输方式有什么 不足之处？ 解答： CPU执行一次传送要花费许多与传送操作无关的 指令执行等时间，另外中断传送方式不能进行 数据块传送，而是按字节或字传送。 16、叙述用DMA方式传送单个数据的全 过程。 解答： 接口准备就绪，发DMA请求信号给DMA控制 器。 DMA控制器向CPU转发总线请求信号HOLD 。 CPU向DMA控制器发总线请求允许信号 HLDA，DMA控制器得到总线控制权。 DMA控制器把地址送地址总线。 DMA控制器向接口发DMA请求确认信号。 内存和接口通过数据总线传送数据。 DMA控制器撤销总线请求信号HOLD。 8086 CPU收回总线控制权。 17、在查询方式、中断方式和DMA方式 中，分别用什么方法启动数据传输过程 ？